CN108923236B - 一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，包括激励源，聚焦系统，激光谐振腔，激光介质晶体；所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体；所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；所述激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成；输入腔镜镀和输出腔镜镀有合适的膜系来获得1123‑1300nm波段的激光输出；所述激光介质晶体位于输入腔镜和输出腔镜之间，所述激励源，聚焦系统，激光谐振腔沿光路依次排列。本发明激光器只涉及激光效应，利用钕离子掺杂的钒酸盐晶体中电子‑声子耦合作用来拓展发射光谱，具有低的激光阈值、高的转化效率、激光器设计简单等优势。

Description

一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器
技术领域
本发明涉及一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，属于激光技术领域。
背景技术
不同波长的激光有着不同的应用范围和需求，而激光的波长决定于增益介质中激活离子的本征能级。目前基于稀土离子(如Nd3+，Yb3+等)中电子在本征能级间的辐射，已经成熟的实现了946nm，912nm，1064nm，1340nm，960nm等波长激光(Applied Physics B,70,769,2000；Applied Physics B，86,65,2007；专利文献CN101728757A)。在1100-1300nm波长范围内，Nd3+离子的本征发射可能实现1110nm附近的受激辐射获得激光。如利用钕掺杂钇铝石榴石晶体(简称：Nd:YAG)受激辐射可得到1112nm和1123nm激光(Opt.Lett 36,1281,2011)。在1123-1300nm波长范围内，可通过受激拉曼散射技术获得1176nm附近的激光。如利用钕离子掺杂的钒酸盐晶体(Nd:RVO4,R＝Y,Gd,Lu)的自拉曼过程，可实现波长为1176nm的激光(Optics Letters,29,1915,2004)；在该受激拉曼散射过程中，首先是需要获得波长为1064nm的激光，再利用晶体的三阶非线性频率转换的受激拉曼散射效应产生一阶斯托克斯拉曼散射激光(波长为1176nm)；另外，在该过程中加入倍频晶体，通过非线性频率转换倍频效应可得到588nm的黄光(Optics Letters,32,1114,2007)。又比如，专利文献CN102244361A公开了一种以掺稀土离子钒酸盐晶体作为激光增益介质的自拉曼自锁模固体激光器，由于激光介质产生的基频激光在谐振腔中振荡的同时，通过自身的受激拉曼散射和自锁模特性，形成波长为1170nm的一阶斯托克斯超短脉冲拉曼激光。上述获得波长为1176nm和1170nm的激光的方法均为受激拉曼散射技术，其是一种三阶非线性光学过程，是介质的电极化强度与入射光强不成线性关系，而是三阶幂级数关系，在形成激光的过程中有光子参与，是光子-声子的相互作用，所需光强较大，激光阈值较高，激光器结构和设计较为复杂。
1123nm-1300nm波段的激光具有重要的应用价值，通过非线性频率转换可得到561nm-650nm波段的激光，处在人眼比较敏感且很多细胞共振吸收的可见光区域，在医疗、娱乐、军事、环境监测等领域均有重要应用和需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器；其发射波段为1123-1300nm；其核心技术是通过电子-声子耦合，将电子跃迁过程中的电子能量转移给声子，提高电子跃迁下能级的能级高度，主要是利用钒酸盐晶体中不同的声子能量，拓展Nd3+离子的能级和光谱，获得1123-1300nm波段的激光输出。
术语说明：
高反射：是指对特定波长或波段光的反射率大于99％。
高透过：是指对特定波长或波段光的透过率大于99％。
部分透过：是指对特定波长或波段光的透过率在1％-80％。
聚焦比例：聚焦前激光光斑的直径与聚焦后激光光斑直径的比值。
本发明的技术方案如下：
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，包括激励源，聚焦系统，激光谐振腔，激光介质晶体；其中所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体；
所述激励源为808nm-880nm的泵浦光源；
所述激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成；输入腔镜镀有对1000nm-1080nm和1320nm-1400nm，800-890nm波段高透过，且对1123nm-1300nm波段高反射的介质膜A；输出腔镜镀有对1000nm-1080nm和1320nm-1400nm波段高透过，且对800nm-890nm波段高反射、1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B；
所述激光介质晶体位于输入腔镜和输出腔镜之间，所述激励源，聚焦系统，激光谐振腔沿光路依次排列。
根据本发明优选的，所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器。该类激光器出射波长稳定，并有着较高的输出功率。
根据本发明优选的，所述聚焦系统由两个凸透镜组成；聚焦系统的焦距为1cm-30cm，优选为3cm-10cm；所述聚焦系统对激励源出射的泵浦光准直聚焦，聚焦比例为1:1。
根据本发明优选的，所述输入腔镜是输入镜镀以介质膜A形成，或激光介质晶体的光入射端面镀以介质膜A形成，所述输入镜为平平镜；所述输出腔镜是输出镜镀以介质膜B形成，或激光介质晶体的光出射端面镀以介质膜B形成，所述输出镜是曲率为50-200mm的平凹镜。
根据本发明，输入腔镜和输出腔镜上镀有对1000nm-1080nm和1320nm-1400nm波段高透过的介质膜，是为了防止这两个波段在激光谐振腔内起振；输入腔镜镀以对1123nm-1300nm波段高反射的介质膜，输出腔镜上镀以对1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜，从而实现该波段激光的输出；输入腔镜上还镀有对800nm-890nm波段高透射的介质膜，输出腔镜上还镀有对800nm-890nm波段高反射的介质膜，是为了增加激光介质晶体对激励源泵浦光的吸收。
根据本发明优选的，所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸钇晶体、钕离子掺杂的钒酸镥晶体或钕离子掺杂的钒酸钆晶体中的一种或两种以上的组合；钕离子的掺杂浓度为0.1wt％-10wt％，优选为0.1wt％-3wt％。
根据本发明优选的，所述激光介质晶体位于聚焦系统的焦点处。该处光强密度较大，光斑较小，有利于激光介质晶体对泵浦光的吸收。
根据本发明，所述钕离子掺杂的钒酸盐晶体可市购获得或按现有技术制备得到。
根据本发明优选的，所述激光介质晶体通光面为圆形、正方形或长方形，通光面抛光后镀以介质膜或不镀介质膜，通光方向长度为4mm-50mm，优选为4mm-15mm。
根据本发明优选的，所述激光介质晶体是沿结晶学轴a或c所切。
根据本发明，一个优选的实施方案是：
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源，聚焦系统，输入腔镜，激光介质晶体，输出腔镜；所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体，所述激光介质晶体位于聚焦系统的焦点处；所述输入腔镜和输出腔镜构成激光谐振腔；输入腔镜是输入镜镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过且对1123nm-1300nm波段高反射的介质膜A，所述输入镜是平平镜；输出腔镜是输出镜镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过、800nm-890nm波段高反射且1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B，所述输出镜是平凹镜，曲率为50-200mm。
根据本发明，另一个优选的实施方案是：
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，包括沿光路方向依次排列的激励源，聚焦系统，输入腔镜，激光介质晶体，输出腔镜；所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体，所述激光介质晶体位于聚焦系统的焦点处；输入腔镜是激光介质晶体入射端面镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过且对1123nm-1300波段高反射的介质膜A而形成；输出腔镜是激光介质晶体的出射端面镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过，800nm-890nm波段高反射且1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B而形成；所述介质膜A和介质膜B构成激光谐振腔。该激光器也称微片式激光器。
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体黄光激光器，由激励源、聚焦系统、输入腔镜、激光介质晶体、倍频晶体、输出腔镜沿光路顺序依次排列而成，输入腔镜和输出腔镜构成激光谐振腔；所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；所述输入腔镜镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过且对1123nm-1300nm、561-650nm波段高反射的介质膜；所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体，两个通光端面镀以对1123nm-1300nm、561-650nm波段高透过的介质膜；所述倍频晶体是LBO晶体，两个通光端面镀以对1123nm-1300nm、561-650nm波段高透过的介质膜；所述输出腔镜镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过、800nm-890nm、1123nm-1300nm波段高反射且561-650nm部分透过的介质膜。
本发明的技术特点及有益效果：
(1)本发明激励源出射的泵浦光经过聚焦系统准直聚焦，再经过输入腔镜入射到激光介质晶体上，晶体吸收泵浦能量发生能级跃迁，此过程包含电子-声子的耦合作用，产生1123nm-1300nm波段的激光，并在输入腔镜和输出腔镜之间振荡，最后在输出腔镜一端输出。
(2)本发明利用钕离子掺杂的钒酸盐晶体中电子-声子耦合作用来拓展发射光谱，进而得到1123nm-1300nm波段激光的输出。本发明的过程只涉及激光效应，是在电子跃迁过程中稀土激活离子最外层电子与基质晶体晶格发生耦合作用(电子-声子耦合)，从而打破吸收和发射截面的平衡，使得基态和激发态两个电子态之间发生了位移，产生能级分裂，在固有的斯塔克能级分裂的基础上产生一个虚的能级，进而使光谱展宽。该电子跃迁过程是在电子上能级与电子-声子耦合后构成的下能级间发生，所发出的激光属于线性光学过程，因此具有低的激光阈值、高的转化效率、激光器设计简单等优势。本发明获得的激光阈值较低，在泵浦功率为700mW时即可获得激光输出；并且增加泵浦功率，输出激光的功率增加明显。在本发明激光谐振腔介质膜上，1000-1080nm波段是高透过的，也就是在激光谐振腔中是不起振的；而利用本发明激光介质晶体通过现有受激拉曼散射技术得到1123-1300nm的激光过程中涉及激光和非线性两个效应，在激光谐振腔介质膜上1000-1080nm波段是高反射的，在谐振腔中振荡，然后再经过晶体的非线性光学效应得到1123-1300nm波段的拉曼激光，该过程较为复杂，需要的光强密度较大，激光阈值较高。上述这两个实现1123nm-1300nm波段激光的原理不同，涉及的效应不同。
(3)本发明钕离子掺杂的钒酸盐晶体可按现有的制备方法制得，其易于利用提拉法在短时间内获得大尺寸高质量的单晶，易于得到，成本较低。
附图说明
图1是实施例1中基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器结构示意图；其中，1是激励源；2是聚焦系统；3是输入腔镜；4是激光介质晶体；5是输出腔镜；6是激光输出。
图2是实施例1中基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器的激光输出图谱，其中，(a)是1176nm激光输出图谱，(b)是1232nm激光输出图谱。横坐标是波长(nm)，纵坐标是强度。
图3是实施例17中基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体黄光激光器结构示意图；其中，9是倍频晶体。
图4是实施例23中基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器结构示意图；其中，7是介质膜A；8是介质膜B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例中所用部件，如无特殊说明均为现有技术。
实施例1
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，结构如图1所示，由激励源1、聚焦系统2、输入腔镜3、激光介质晶体4、输出腔镜5沿光路顺序依次排列而成，输入腔镜3和输出腔镜5构成激光谐振腔。激励源1是发射中心波长为808nm的激光二极管激光器；聚焦系统2是由两个焦距为3cm的凸透镜组成，聚焦系统2的焦距为3cm，聚焦比例为1:1；输入腔镜3是平平镜上镀以对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过且对1123nm-1300nm高反射的介质膜A；激光介质晶体4为钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸钇晶体，通光方向晶体长度是6mm，通光面为3*3mm2的正方形，且抛光，切向是沿结晶学轴a向，并且所述激光介质晶体4位于聚焦系统的焦点处；输出腔镜5是平凹镜(曲率为50mm)上镀以对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过、800nm-890nm高反射且1123nm-1300nm部分透过(透过率为1％)的介质膜。
开启激励源1，加大泵浦功率，调节激光谐振腔和激光介质晶体4，获得1123nm-1300nm波段激光输出，输出波长如图2所示。该激光输出阈值为泵浦功率700mW，增加泵浦功率，其输出功率增加。
实施例2
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是激励源1是发射中心波长为880nm的激光二极管激光器，其它条件和部件与实施例1所述一致。使用本实施例中的激光器时，量子亏损少，有利于激光的高效输出。。
实施例3-5
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是激光介质晶体4，钕离子掺杂的钒酸钇晶体的通光方向长度分别为4mm，8mm和10mm，其它条件和部件与实施例1所述一致。
实施例6-9
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是激光介质晶体4，钕离子掺杂的钒酸钇晶体中钕离子的掺杂浓度为0.1wt％、0.5wt％、1wt％和2wt％，其它条件和部件与实施例1所述一致。
实施例10-11
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是激光介质晶体4分别为钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸镥晶体和钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸钆晶体，其它条件与实施例1所述一致。
实施例12-13
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是输出腔镜5的曲率分别为100mm和200mm，其它条件与实施例1所述一致。
实施例14-16
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，如实施例1所述，所不同的是介质膜B对1123nm-1300nm波段光的透过率分别为3％、5％、10％，其它条件与实施例1所述一致。
实施例17
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体黄光激光器，结构如图3所示，由激励源1、聚焦系统2、输入腔镜3、激光介质晶体4、倍频晶体9、输出腔镜5沿光路顺序依次排列而成，输入腔镜3和输出腔镜5构成激光谐振腔。激励源1、聚焦系统2、激光介质晶体4与实施例1相同，所不同的是：输入腔镜3平平镜镀以对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过且对1123nm-1300nm、561-650nm高反射的介质膜；激光介质晶体4两个通光端面还镀以对1123nm-1300nm、561-650nm高透过的介质膜；倍频晶体9是LBO晶体，晶体尺寸为3*3*10mm3，沿着相位匹配方向(θ＝90°，
Figure BDA0001750726340000061
)所切，两个通光端面镀以对1123nm-1300nm、561-650nm高透过的介质膜；输出腔镜5是曲率为50mm的平凹镜镀以对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过、800nm-890nm、1123nm-1300nm高反射且561-650nm部分透过(透过率为1％)的介质膜。
开启激励源，加大泵浦功率，调节谐振腔和晶体，实现黄光激光输出。
实施例18-19
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体黄光激光器，如实施17所述，所不同的是输出腔镜5的曲率分别为100mm和200nm，其它条件与实施例17所述一致。
实施例20-22
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体黄光激光器，如实施17所述，所不同的是输出腔镜5的介质膜对561-650nm波段光的透过率分别为3％、5％、10％，其它条件与实施例16所述一致。
实施例23
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器，结构如图4所示，由激励源1、聚焦系统2、激光介质晶体4沿光路顺序依次排列而成。激励源1是发射中心波长为808nm的激光二极管激光器；聚焦系统2是由两个焦距为3cm的凸透镜组成，聚焦系统2的焦距为3cm，聚焦比例为1:1；激光介质晶体4为钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸钇晶体，通光方向晶体长度是6mm，通光面为3*3mm2的正方形，且抛光，切向是沿结晶学轴a向，所述激光介质晶体4位于聚焦系统的焦点处；在激光介质晶体4的入射端面镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过且对1123nm-1300nm高反射的介质膜A，由图4中7表示，出射端面镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm高透过，1123nm-1300nm部分透过(透过率为1％)和800nm-890nm高反射的介质膜B，由图4中8表示，介质膜A(7)和介质膜B(8)构成激光谐振腔。
开启激励源1，加大泵浦功率，获得1123nm-1300nm波段激光输出。
实施例24
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器，如实施例23所述，所不同的是激励源1是发射中心波长为880nm的激光二极管激光器，其它条件与实施例22所述一致。
实施例25-27
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器，如实施例23所述，所不同的是激光介质晶体4，钕离子掺杂的钒酸钇晶体的通光方向长度分别为4mm，8mm和10mm，其它条件和部件与实施例1所述一致。
实施例28-31
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器，如实施例23所述，所不同的是激光介质晶体4，钕离子掺杂的钒酸钇晶体中钕离子的掺杂浓度为0.1wt％、0.5wt％、1wt％和2wt％，其它条件和部件与实施例22所述一致。
实施例32-33
一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体微片式激光器，如实施例23所述，所不同的是激光介质晶体4分别为钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸镥晶体和钕离子掺杂浓度为0.25wt％的钒酸钆晶体，其它条件与实施例1所述一致。

Claims (7)

1.一种基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，包括激励源，聚焦系统，激光谐振腔，激光介质晶体；其中所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸盐晶体；
所述激励源为808nm-880nm的泵浦光源；
所述激光谐振腔由输入腔镜和输出腔镜组成；输入腔镜镀有对1000nm-1080nm和1320nm-1400nm，800-890nm波段高透过，且对1123nm-1300nm波段高反射的介质膜A；输出腔镜镀有对1000nm-1080nm和1320nm-1400nm波段高透过，且对800nm-890nm波段高反射、1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B；所述输入腔镜是输入镜镀以介质膜A形成，或激光介质晶体的光入射端面镀以介质膜A形成，所述输入镜为平平镜；所述输出腔镜是输出镜镀以介质膜B形成，或激光介质晶体的光出射端面镀以介质膜B形成，所述输出镜是曲率为50-200mm的平凹镜；
所述激光介质晶体为钕离子掺杂的钒酸钇晶体、钕离子掺杂的钒酸镥晶体或钕离子掺杂的钒酸钆晶体中的一种或两种以上的组合；钕离子的掺杂浓度为0.1wt％-10wt％；所述激光介质晶体是沿结晶学轴a或c所切；
所述激光介质晶体位于输入腔镜和输出腔镜之间、聚焦系统的焦点处，所述激励源，聚焦系统，激光谐振腔沿光路依次排列。
2.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器。
3.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述聚焦系统由两个凸透镜组成；聚焦系统的焦距为1cm-30cm；所述聚焦系统对激励源出射的泵浦光准直聚焦，聚焦比例为1:1。
4.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述钕离子的掺杂浓度为0.1wt％-3wt％。
5.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述激光介质晶体通光面为圆形、正方形或长方形，通光面抛光后镀以介质膜或不镀介质膜，通光方向长度为4mm-50mm。
6.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；所述输入腔镜和输出腔镜构成激光谐振腔；输入腔镜是输入镜镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过且对1123nm-1300nm波段高反射的介质膜A，所述输入镜是平平镜；输出腔镜是输出镜镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过、800nm-890nm波段高反射且1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B，所述输出镜是平凹镜，曲率为50-200mm。
7.根据权利要求1所述的基于钕离子掺杂的钒酸盐晶体激光器，其特征在于，所述激励源为发射中心波长为808nm或880nm的激光二极管激光器；输入腔镜是激光介质晶体入射端面镀有对800nm-890nm、1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过且对1123nm-1300波段高反射的介质膜A而形成；输出腔镜是激光介质晶体的出射端面镀有对1000nm-1080nm、1320nm-1400nm波段高透过，800nm-890nm波段高反射且1123nm-1300nm波段部分透过的介质膜B而形成；所述介质膜A和介质膜B构成激光谐振腔。
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